Защита вашего дома и садового участка от мелких грызунов-вредителей, насекомых актуальна и сегодня. Различные промышленные устройства «отпугивателей» есть в продаже, однако такое же устройство по силам изготовить радиолюбителю со средним уровнем подготовки. В отличие от многих схем подобных устройств, предлагаемая ниже довольно оригинальна. Известные схемы базируются на генераторе ультразвуковой частоты (УЗЧ), «нагруженном» на пьезоэлектрический капсюль. Частота этих генераторов может быть подстроена (скорректирована с помощью изменения номиналов RС-цепи), но она неизменяема при работе устройства, а следовательно и генератора. То есть на каких бы грызунов, насекомых, птиц или животных не был бы «запрограммирован» генератор УЗЧ (все перечисленные существа боятся дискомфорта от импульсов определённой частоты), со временем устройство перестаёт быть эффективным из-за возникающего у грызунов или насекомых эффекта привыкания.
В разработке, рассматриваемой ниже, этот недостаток отсутствует потому, что во время активной работы устройства частота генератора изменяется в широких пределах. Благодаря этому предлагаемое устройство можно применять универсально для многих живых существ, присутствие которых нежелательно на участках, а тем более в доме.
Ультразвуковые колебания с частотой 100 кГц действуют угнетающе на крыс, мышей и других мелких грызунов, а колебания 22 – 40 кГц не выносят собаки и кошки.
Рассмотрим электрическую схему отпугивающего устройства.
Устройство эффективно на площади до 10 м2. Если потребуется увеличить зону воздействия, то необходимо включить пьезоэлектрический капсюль через мощный усилитель, который можно реализовать по транзисторной схеме.
На элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор колебаний инфранизкой частоты (ИНЧ), «нагруженный» на транзистор VТ1. Этот транзистор выполняет роль усилителя тока и одновременно электронного ключа, управляющего оптроном U1. В качестве оптрона применена тиристорная оптопара, выполняющая роль управляемого ключа.
Форма импульсов на выходе этого генератора – прямоугольная, поэтому транзистор VТ1 в зависимости от фронта импульса периодически медленно открывается и закрывается (с частотой генератора ИНЧ). Оптрон U1, включённый в коллекторную цепь транзистора VТ1, плавно изменяет постоянную времени второго генератора, реализованного на элементах DD2.1 и DD2.2. Поэтому частотный диапазон второго генератора изменяется в широких пределах: 20 -80 кГц.
Элементы DD2.3 и DD2.4 включены по схеме инверторов для того, чтобы можно было «раскачать» усилитель на транзисторах VТ2 – VТ5. На выходе усилителя включены несколько однотипных пьезоэлектрических элементов НА1 -НА4. Их общее количество неограничено и может в данной схеме достигать 6-8. Чем больше пьезоэлементов – тем большую площадь удаётся защитить от нашествия грызунов и им подобных. При подключении на выход устройства более 4 пьезоэлементов транзисторы VT2 – VT4 требуется установить на разные теплоотводы (так как коллекторы данных транзисторов совмещены с их корпусом).
В качестве НА1 потребуется применить пьезоэлементы с резонансной частотой 20 – 80 кГц. При резонансе один элемент потребляет ток порядка 30 – 50 мА, поэтому источник питания для данной конструкции должен быть соответствующей мощности, стабилизированный, с выходным напряжением в диапазоне 10 – 15 В.
В налаживании устройство не нуждается и при исправных деталях начинает работать сразу.
Переменным резистором R3 устанавливают диапазон, в пределах которого устройство будет изменять частоту колебаний генератора.
Проверить работоспособность устройства несложно. Так как ухо человека (с учетом индивидуальных особенностей) фиксирует нижнюю границу частоты генератора УЗЧ в районе 16 – 20 кГц, то правильно работающее устройство периодически будет «услышано» человеческим ухом в течение нескольких мгновений. Это будет тихий звук, похожий на свист. Затем звук снова перейдёт к более высокой частоте колебаний, отрицательно воздействующей на вредителей.
О ДЕТАЛЯХ
Транзистор VT1 - кремниевый маломощный. Вместо указанного на схеме можно применить КТ503, КТ312, КТ315, 2N5551, ВС547 с любым буквенным индексом. Оптрон U1 можно заменить на АОУ10З с индексами Б, В или аналогичный.
Пьезоэлектрические капсюли – типа НС0903А, НСМ1206Х, SLN и им подобные рассчитаны на резонансную частоту 20 – 80 кГц.
Оксидные конденсаторы – типа К50-29. Неполярный конденсатор С1 -типа КМ6Б, К10-17 или тривиальный. Его также можно составить (соответствующим образом) из двух оксидных конденсаторов ёмкостью 2 мкФ, включив их последовательно положительными (или отрицательными) обкладками друг к другу.
Все постоянные резисторы – типа МЛТ-0,25. Переменный резистор R3 -типа СПО-1, СПЗ-1ВБ или аналогичный.
А.ПЕТРОВИЧ, г.Санкт-Петербург
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.
Владельцы патента RU 2343011:
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора эталонных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры. Техническим результатом изобретения является повышение крутизны фронта генерируемых акустических импульсов, возможность формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой и снижение уровня электромагнитных помех. Ультразвуковой генератор содержит источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи. Элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками. Накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек. Пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора. Внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора. При этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, конкретнее к области электрических измерений параметров импульсных механических нагрузок в виброакустике и физике взрыва, и может быть использовано в качестве генератора эталонных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры.
Известно, что одним из важных этапов предварительной подготовки пьезополимерных высокочастотных датчиков динамических давлений однократного действия на основе пьезопленок поливинилиденфторида (ПВДФ), в том числе высокочастотных микрополосковых датчиков (см., например, 1. Толстиков И.Г., Мартынов А.П., Фомченко В.Н., Погодин Е.П., Долгов В.И. Пьезоэлектрический датчик и способ его изготовления. Патент RU №2258276, БИ №22, 2005. 2. Толстиков И.Г., Мартынов А.П., Фомченко В.Н., Астайкин А.И., Троцюк К.В. Пьезоэлектрический датчик. Патент RU №2262157, БИ №28, 2005) к эксперименту является неразрушающее тестирование (входной контроль) с целью отбора групп датчиков с одинаковой пьезоактивностью и последующая калибровка датчиков каждой группы для корректировки результатов измерений. Для этой цели в настоящее время используются в основном такие известные экспериментальные установки для создания ударных и акустических волн, как различного рода ударные трубы и легкогазовые пушки или мощные импульсные лазеры (см., например, 3. В.В.Селиванов, B.C.Соловьев, Н.Н.Сысоев. Ударные и детонационные волны. Методы исследования. - М.: Изд-во МГУ, 1990, 265 с.). Обычно необходимая амплитуда зондирующих плоских волн лежит в диапазоне от 10 кПа до 1 МПа, длительность импульсов давления с постоянной амплитудой лежит в субмикросекундном или микросекундном диапазоне, длительность переднего фронта - несколько десятков наносекунд, форма эталонных импульсов давления должна быть близка к прямоугольной (ступеньке), при этом разновременность прихода переднего фронта волны на площадку, размеры которой должны быть существенно больше размеров чувствительного элемента датчика, должна быть значительно меньше длительности переднего фронта импульсов давления. К недостаткам указанных установок, предназначенных, как правило, для создания более мощных ударных волн, чем необходимо для тестирования указанных датчиков, следует отнести их высокую стоимость, сложность технического обслуживания, высокую стоимость отдельного опыта, а также проблемы, связанные с защитой датчиков от разрушения.
Известны способ и устройство для создания ударных волн, используемых в технике, преимущественно в медицинской технике (Werner Hartmann, Joerg Kieser. Apparatus for producing shock waves for technical, preferably medical application. Patent US 6,383,152. Int. Cl. 7 A61B 17/22. Date of Patent: May 7, 2002). В соответствии с этим изобретением волны давления создают с помощью кратковременного нагрева проводящего электролита, причем с помощью интенсивного электрического импульса электрическая энергия непосредственно и без потерь преобразуется в тепловую энергию электролита. Соответствующее устройство для осуществления способа отличается наличием двух электродов, которые закрывают электролит и соединены с мощным импульсным генератором. Один из электродов обеспечивает выход звуковых волн в среду, распространяющую звук.
Недостатком известного устройства является использование мощного импульсного генератора и жидкой рабочей среды (электролита) для формирования импульса давления, что, несомненно, усложняет установку в целом. Другим недостатком является необходимость охлаждения электролита после опыта, что увеличивает время между отдельными опытами.
Известен ультразвуковой генератор (В.П.Минчук. Ультразвуковой генератор. А.с. 411918, М. Кл. В06В 1/06, Н03h 5/08. Опубл. БИ №3, 1974). В этом ультразвуковом генераторе формирование электрических импульсов возбуждения пьезоэлектрического преобразователя (пьезопреобразователя) осуществляется за счет медленного заряда и быстрого разряда емкости самого преобразователя. Возбуждение упругих колебаний стенок пьезопреобразователя происходит при разряде, когда резко уменьшается напряжение на обкладках пьезопреобразователя и снимается воздействие электрического поля.
Недостатком известного ультразвукового генератора является сильное отличие (искажение) формы генерируемого импульса давления от эталонной вследствие быстрого падения напряжения на пьезопреобразователе при разряде.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности к предлагаемому техническому решению является ультразвуковой генератор (излучатель), работающий в импульсном режиме т.н. ударного возбуждения пьезопреобразователя (4. Ультразвуковые пьезопреобразователи для неразрушающего контроля. Под общ. ред. Ермолова И.Н. - М.: Машиностроение, 1986, 280 с., см. с.64, см. также, с.61). Такой ультразвуковой генератор (генератор акустических волн) работает следующим образом. От источника питания через ограничительный резистор предварительно заряжается накопительный конденсатор, который после срабатывания коммутатора разряжается через электрическую цепь (с сосредоточенными оптимальными параметрами), в которую включен (ультразвуковой) пьезопреобразователь.
Таким образом, известный ультразвуковой генератор содержит источник питания, ограничительный (зарядный) резистор, формирующую электрическую цепь с сосредоточенными оптимальными параметрами, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи.
Как отмечается в работе , быстродействие пьезопреобразователей теоретически ограничивается только временем установления ионной поляризации в пьезоматериалах и лежит в пределах 10 -10 -10 -13 с. На практике минимальная длительность акустических импульсов, излучаемых обычными пьезопреобразователями из пьезокерамики, составляет единицы наносекунд и ограничивается чисто техническими возможностями создания электронных схем генераторов наносекундной длительности и чистотой обработки излучающей поверхности пьезоэлемента. Проблема в нашем случае осложняется тем, что для достижения максимальных амплитудных значений эталонных импульсов на достаточно большой площади (порядка нескольких квадратных сантиметров) необходимо использовать высоковольтную импульсную (наносекундную) технику без традиционных электронных схем.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании простого импульсного генератора акустических волн (ультразвукового генератора) для тестирования высокочастотных датчиков, отличающегося крутым фронтом (длительностью порядка единиц наносекунд или менее), регулируемой амплитудой (до 1 МПа) и не являющегося источником заметных электромагнитных помех.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предполагаемого изобретения, заключается в повышении крутизны фронта генерируемых акустических импульсов приблизительно на порядок величины (повышении частоты, расширении частотного диапазона), в возможности формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой, а также в значительном снижении создаваемых ультразвуковым генератором электромагнитных помех (повышение электромагнитной совместимости ультразвукового генератора и тестируемой с его помощью датчиковой аппаратуры), что в конечном итоге позволяет использовать названный генератор для тестирования высокочастотных датчиков в качестве генератора эталонных акустических импульсов.
Для достижения указанного технического результата в заявленном ультразвуковом генераторе, содержащем источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи, новым является то, что элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками, в которой накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек, пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора, внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора, при этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее.
Кроме того, для получения разделенных по времени эталонных акустических импульсов сжатия и растяжения пьезопреобразователь выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, дополнительно введены коммутирующее устройство, включенное между внутренней и средней оболочками, и устройство управления коммутирующими устройствами.
Кроме того, пьезопреобразователь выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, совершающей упругие колебания по толщине, дополнительно введены второе коммутирующее устройство, включенное между внутренней и средней оболочками, и устройство управления коммутирующими устройствами. Интервал времени между моментами срабатывания последних выбран меньше полупериода собственных колебаний пьезопластины. Это позволяет получить разделенные по времени эталонные акустические импульсы сжатия и растяжения (см. ниже). При этом последовательность формирования названных импульсов на выходе ультразвукового генератора обратима и зависит от полярности нагружающего пьезопреобразователь электрического импульса (точнее, от взаимного расположения вектора напряженности электрического поля и полярной оси пьезоматериала).
На фиг.1 представлен вариант конструкции заявленного ультразвукового генератора с одним коммутирующим устройством. На фиг.2 приведена упрощенная электрическая схема для ультразвукового генератора на фиг.1. На фиг.3 представлен вариант конструкции заявленного ультразвукового генератора с двумя коммутирующими устройствами. На фиг.4 приведена упрощенная электрическая схема для ультразвукового генератора на фиг.3.
Ультразвуковой генератор с одним коммутирующим устройством на фиг.1 (см. также обозначения на фиг.2) содержит корпус 1 с крышкой 2, пьезопреобразователь (С п) 3 с электродами 4, 5 и демпфером 6, накопительный конденсатора (С н) 7 с обкладками 8 и 9, коммутирующее устройство (Р) 10 с выходом к устройству (блоку) управления (БУ), шунтирующее сопротивление (Z) 11 и токовыводы 12, 13 и 14 цепи заряда накопительного конденсатора 7. Накопительный конденсатор 7 выполнен в виде тонкостенного цилиндра, во внутренней полости которого размещен демпфер 6. Двумя стрелками справа на фиг.1 отмечены места подключения цепи ограничительного резистора (R) и источника питания (U 0) (на фиг.1 не показаны, см. фиг.2). Стрелками слева на фиг.1 показано направление распространения выходного акустического импульса ультразвукового генератора от выходного (лицевого) электрода 4 пьезопреобразователя 3 во внешнюю среду. При этом элементы формирующей цепи (7, 10) и пьезопреобразователь 3 конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга (с помощью изолятора 15, диэлектрического материала накопительного конденсатора 7 и пьезоматериала пьезопреобразователя 3) токопроводящими оболочками, которые используются для обеспечения электрических и механически соединений элементов ультразвукового генератора в целом. Внешняя замкнутая оболочка состоит из корпуса 1, крышки 2 и выходного электрода 4 пьезопреобразователя 3 и используется также для соединения пьезопреобразователя 3, коммутирующего устройства 10, токовывода 14 и крепления токовывода 12 с помощью изолирующей втулки 16. Внутренняя оболочка, выполненная в виде стакана, состоит из внутренней обкладки 8 накопительного конденсатора 7, внутреннего (тыльного) электрода 5 пьезопреобразователя 3 и промежуточной части 17, соединяющей токопроводы пьезопреобразователя 3 и накопительного конденсатора 7. Средняя оболочка, также выполненная в виде стакана, состоит из внешней обкладки 9 накопительного конденсатора 7 и донной части 18, используемой для соединения токовывода 12, коммутирующего устройства 10 и крепления шунтирующего сопротивления 11 и токовывода 13 с помощью изолирующей втулки 19. Пьезопреобразователь 3 размещен у одного из торцов накопительного конденсатора 7, обкладками 8 и 9 которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек. Внешняя оболочка служит обратным токопроводом пьезопреобразователя 3, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок (8 на фиг.1 в рассматриваемом варианте) конденсатора 7, при этом коммутирующее устройство 10 соединено с другой обкладкой (9 на фиг.1 в рассматриваемом варианте) конденсатора 7 и внешней оболочкой и размещено внутри нее. Отметим, что в соответствии с формулой изобретения возможен другой вариант выполнения конструкции ультразвукового генератора, который формально можно получить, поменяв местами в приведенном выше описании слова «средняя» и «внутренняя» (оболочка), а также соответственно «внешняя» и «внутренняя» (обкладки).
Отметим, что в варианте выполнения ультразвукового генератора с одним коммутирующим устройством (см. фиг.1 и 2) в качестве последнего может быть использован как управляемый, так и неуправляемый разрядник. В варианте с двумя коммутирующими устройствами (см. фиг.3 и 4) используются управляемые разрядники, например вакуумные искровые разрядники типа ВИР (см. ссылку , с.87-92).
Ультразвуковой генератор с двумя коммутирующими устройствами на фиг.3 (см. также обозначения на фиг.4) в отличие от предыдущего варианта содержит дополнительно второе коммутирующее устройство 20, включенное между внутренней и средней оболочками, т.е. параллельно конденсатору 7, с помощью дополнительного токовывода 21, и устройство управления двумя коммутирующими устройствами (P 1 , Р 2) 10 и 20. Второе коммутирующее устройство 20 (и токовывод 21) принадлежит формирующей цепи и размещается непосредственно за демпфером по оси симметрии. Устройство управления (блок управления БУ) коммутирующими устройствами 10 и 20 размещается аналогично источнику питания (на фиг.3, 4 не показан). При этом пьезопреобразователь 3 выполнен в виде плоскопараллельной пьезопластины, совершающей упругие колебания по толщине, а интервал времени между моментами срабатывания коммутирующих устройств 10 и 20 выбран меньше полупериода собственных колебаний пьезопластины.
Ультразвуковой генератор функционирует следующим образом (см. фиг.1-4). Тестируемые высокочастотные датчики (см., например, ссылки ) размещаются предварительно на выходной поверхности ультразвукового генератора (выходном электроде 4 пьезопреобразователя (С п) 3), на которой может быть нанесена путем напыления диэлектрическая пленка, а также сами датчики, например, на основе ленгмюровских ультратонких пьезопленках (см. ) Затем от источника питания (U 0) через ограничительный резистор (R), шунтирующее сопротивление (Z) 11 и токовыводы 12, 13 и 14 медленно заряжается накопительный конденсатор 7. После срабатывания коммутатора 10 в момент времени t=0 накопительный конденсатор 7 быстро разряжается через формирующую электрическую цепь, в которую включен (ультразвуковой) пьезопреобразователь 3. При этом, как известно, шунтирующее сопротивление (Z) 11 выбирается таким образом, чтобы на высоких частотах оно было значительно больше сопротивления пьезопреобразователя (С п) 3, поэтому ток разряда накопительного конденсатора 7 во время формирования выходного импульса давления протекает в основном через пьезопреобразователь. Кроме того, поскольку емкость накопительного конденсатора (С п) 7 значительно больше емкости пьезопреобразователя (С п) 3, то форма импульса напряжения U(t) на пьезопреобразователе 3 близка к прямоугольной ступеньке с амплитудой, практически равной напряжению источника U 0 в течение времени, необходимого для возбуждения в последнем эталонного импульса давления (см. ниже).
В качестве преобразователя 3, имеющего наиболее простую конструкцию, может быть использован, например, пьезоэлемент в виде диска из кварца х-среза (см. фиг.1) толщиной d с электродами на основаниях 4 и 5, размещенный вплотную с демпфером 6. Демпфер 6, выполненный, например, из эпоксидной смолы с вольфрамовым порошковым наполнителем, акустически согласован с пьезоэлементом преобразователя 3 и обеспечивает быстрое поглощение входящих в него акустических волн. Работа такого преобразователя 3 основана на том, что акустические сигналы возникают на поверхностях (основаниях), несущих электроды 4 и 5 (см., например, ). Если в момент времени t=0 (срабатывания коммутирующего устройства) преобразователь возбудить электрическим импульсом U(t) длительностью t 0 , то на электродах 4 и 5 появляются свободные электрические заряды и вследствие обратного пьезоэффекта оба его основания приходят в движение. Каждое основание работает как источник двух ультразвуковых волн (сжатия и растяжения), излучаемых в двух направлениях по оси симметрии генератора: в объем пьезоэлемента и во внешнюю среду (демпфер). Отметим, что все волны, прошедшие влево через тыльную поверхность (5), поглощаются демпфером 6, отражение на тыльной поверхности (5) отсутствует. В результате на лицевой поверхности (4) возникает два акустических импульса: первый импульс, излучаемый лицевой стороной (4) с момента времени t=0; второй импульс, излучаемый с момента времени t=0 тыльной поверхностью (5) и приходящий на лицевую поверхность (4) в момент t=Т=d/c (где с - скорость упругих волн в кварце), то есть с задержкой, соответствующей времени распространения упругой волны по пьезоэлементу. Форма обоих импульсов давления σ(t) (механического напряжения) одинакова и совпадает с формой нагружающего импульса U(t) (для высокочастотных пьезоматериалов типа кварца) / см., например, Кайно Г. Акустические волны: Устройства, визуализация и аналоговая обработка сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990, 656 с., см. с.58/, т.е. является близкой к прямоугольной. Важно отметить, что при любой длительности t 0 нагружающего импульса U(t) в интервале времени 0≤t<Т форма импульса давления на лицевой поверхности (4) соответствует эталонной.
Временная диаграмма импульсов давления σ(t) зависит от длительности t 0 нагружающего импульса U(t) следующим образом: при t 0 >d/c=Т, т.е. в случае с одним коммутирующим устройством импульсы σ(t) накладываются друг на друга с момента t=Т в интервале Т Зависимость σ(t) и значение σ 0 можно определить из уравнения обратного пьезоэффекта: σ(t)=e·E(t)=e·U(t)/d, σ 0 =е·Е 0 =е·U 0 /d, где е - пьезоконстанта пьезоматериала, е=е 11 для кварца х-среза, Амплитуда акустического импульса σ 0 (в пьезоматериале) может принимать следующие значения (или меньше): для кварца σ 0 =0,9 МПа при Е 0 =5 кВ/мм (е 11 =0,18 Кл/м 2), для пьезокерамики ЦТС-21 σ 0 =6,73 МПа при Е 0 =1 кВ/мм, для пьезокерамики титаната бария ТБ-1 σ 0 =12,7 МПа при Е 0 =1 кВ/мм. Расчетная длительность импульсов давления с постоянной амплитудой лежит в субмикросекундном или микросекундном диапазоне, длительность переднего фронта - несколько наносекунд. При этом длительность генерируемого акустического импульса определяется длительностью Т полупериода собственных колебаний пьезопластины (для варианта конструкции с одним коммутирующим устройством) или длительностью t 0 Таким образом, выполнение ультразвукового генератора в соответствии с предлагаемым изобретением приводит к повышению крутизны фронта генерируемых акустических импульсов приблизительно на порядок величины, к возможности формирования эталонных акустических импульсов с неискаженной формой, а также к значительному снижению создаваемых ультразвуковым генератором электромагнитных помех, что в конечном итоге позволяет использовать названный генератор для тестирования высокочастотных датчиков в качестве генератора эталонных акустических импульсов. 1. Ультразвуковой генератор, содержащий источник питания, ограничительный резистор, формирующую электрическую цепь, включающую накопительный конденсатор и коммутирующее устройство, и пьезопреобразователь с токопроводами, подключенными к названной цепи, отличающийся тем, что элементы формирующей цепи и пьезопреобразователь конструктивно выполнены в виде единой осесимметричной конструкции с тремя изолированными друг от друга токопроводящими оболочками, в которой накопительный конденсатор выполнен в виде тонкостенного цилиндра, обкладками которого служат перекрывающиеся части средней и внутренней оболочек, пьезопреобразователь размещен у одного из торцов накопительного конденсатора и снабжен демпфером, расположенным во внутренней полости указанного конденсатора, внешняя оболочка выполнена замкнутой и служит обратным токопроводом пьезопреобразователя, прямым токопроводом которого служит одна из обкладок конденсатора, при этом коммутирующее устройство соединено с другой обкладкой конденсатора и внешней оболочкой и размещено внутри нее. Изобретение относится к эхолокации и может быть использовано в различных ультразвуковых устройствах, где в качестве приемоизлучателя используется пьезоэлектрический преобразователь (ПЭП), а именно в средствах неразрушающего контроля, в частности в ультразвуковых дефектоскопах и толщиномерах, в медицине - в ультразвуковых сканерах, в навигации - в эхолотах, гидролокаторах
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в качестве генератора эталонных акустических импульсов при тестировании высокочастотной датчиковой аппаратуры Ультразвуковые генераторы являются источниками питания ультразвуковых установок. Они преобразуют электрическую энергию промышленной частоты (50 Гц) в энергию переменного тока ультразвуковой частоты. Этот ток является током возбуждения преобразователя. Одновременно генераторы вырабатывают ток подмагничивания, необходимый для получения наибольшей величины относительного удлинения преобразователей (т. е. амплитуды колебаний). В ультразвуковых технологических установках в основном используют ламповые и полупроводниковые генераторы. Они могут работать по схеме с самовозбуждением и независимым возбуждением. Генераторы с самовозбуждением отличаются простотой схемы, но уступают генераторам с независимым возбуждением по стабильности частоты. Генераторы с независимым возбуждением состоят, как правило, из трех каскадов (блоков): задающего, промежуточного и выходного. Задающий каскад преобразует ток промышленной частоты в ток ультразвуковой частоты (определенного диапазона) при малой мощности электрических импульсов. Промежуточный каскад усиливает эти импульсы до мощности, необходимой для питания выходного блока. Выходной блок окончательно усиливает импульсы тока ультразвуковой частоты до мощности, необходимой для возбуждения преобразователя (нагрузки). Первые рассчитаны на работу с различными технологическими установками и позволяют, как правило, регулировать выходные параметры в относительно широких пределах. Они применяются при размерной обработке, ультразвуковой очистке, сварке и т. д. Специализированные генераторы чаще применяют в массовом и серийном производстве, когда нет необходимости регулировать выходные параметры в широких пределах. К электрическим характеристикам ультразвуковых генераторов относятся рабочая частота, выходная мощность, к. п. д., стабильность частоты, стабильность амплитуды колебаний колебательной системы и уровень индустриальных радиопомех. Рабочая частота (или диапазон частот) генератора должна соответствовать установленным стандартам (18±1,35); (22±1,65); (44+4,4) кГц и т. д. Выходная мощность генератора означает электрическую мощность, передаваемую им колебательной системе ультразвуковой установки. Наибольшее распространение получили ультразвуковые генераторы мощностью от 0,25 до 10 кВт. В генераторах мощность можно регулировать ступенчато и плавно. КПД генератора характеризует отношение его выходной мощности ко всей потребляемой им от сети мощности. Он зависит от схемы генератора, режима работы, качества исполнения и т. д. Для генераторов мощностью до 0,4 кВт к. п. д. должен составлять не менее 0,3 для лампового и 0,5 для полупроводникового генераторов, а, например, мощностью от 2,5 до 10 кВт- не менее 0,5 и 0,65 (соответственно). Стабильность частоты выше у генераторов с независимым возбуждением, так как она определяется параметрами задающего блока, на работу которого не влияет изменение параметров нагрузки. В процессе работы колебательных систем может происходить рассогласование по частоте системы и генератора, что является следствием, например, износа инструмента, нагрева концентратора и других причин. В результате рассогласования падает амплитуда колебаний рабочего элемента системы и, как следствие, производительность процесса. Для поддержания постоянной амплитуды колебаний рабочих элементов в процессе ультразвуковой обработки в генераторах применяют блоки автоматической подстройки частоты (блоки АПЧ). Эти блоки предусматривают подстройку частоты электрическими методами, для чего, в частности, в выходном блоке генератора монтируется узел выделения электрического сигнала, пропорционального амплитуде механических колебаний рабочего элемента колебательной системы . При рассогласовании частоты колебательной системы и генератора в обмотке выходного трансформатора последнего выделяется сигнал по величине и фазе тока нагрузки. Этот сигнал вызывает изменение вырабатываемой генератором частоты и сводит к нулю рассогласование; амплитуда колебаний инструмента восстанавливается, что позволяет продолжать операцию в заданном режиме. Ультразвуковой генератор типа УЗГ13-1,6 (мощность его 1,6 кВт) может работать в режиме независимого возбуждения и с АПЧ. Два диапазона частот этого генератора позволяют работать на 16,35-23,65 кГц. Стабильность амплитуды колебаний нагрузки достигается также применением автоматической обратной связи (АОС) при использовании генераторов с автоподнастройкой частоты. Без подходящего по мощности ультразвукового генератора не будет нормально выполнять свою работу УЗ ванна для мойки и очищать различные изделия, машина для ультразвуковой сварки металлических заготовок и пластмассовой продукции, ультразвуковой станок, позволяющий обработать твёрдые и хрупкие материалы.
Чаще всего в такого плана оборудовании нуждается автомобильная, авиационная, ювелирная, приборостроительная, металлургическая, электротехническая, электронная промышленности. Медицина и сельское хозяйство закупает ультразвуковой генератор, археологи используют его при выполнении поставленных задач. Современное устройство более усовершенствованное по сравнению с устаревшими моделями, оно обладает отличным высоким КПД и уровнем автоматизации, стало легче по весу и меньше по габаритам.
Для выполнения большинства задач вполне будет достаточно модели УЗГ-50-05 и приобрести можно здесь данный www.psb-gals.ru/catalog/ultrasonic_generators.html на сайте центра ультразвукового оборудования «ПСБ-Галс», который осуществляет свою деятельность в Москве. В случае необходимости вам в индивидуальном порядке специалисты сконструируют подходящее устройство по конкретным заданным параметрам. При выборе таких приборов обязательно обращайте своё внимание на маркировку.
В структуру условного обозначения обычно производители включают такие обозначения как: УЗГ ХХ/Х УХЛ. Вы должны понимать, что скрывается под каждым из них, чтобы купить подходящий ультразвуковой генератор. УЗГ расшифровывается как ультразвуковой генератор. Первый Х говорит о номере модификации; второй Х указывает, какой мощностью обладает прибор в кВт; третий Х свидетельствует на какую рабочую частоту в кГц рассчитано устройство; а УХЛ говорит о климатическом исполнении оборудования и категории размещения его по ГОСТ 15150-69.
В принципе нет ничего сложного, но лучше проконсультироваться со специалистами компании «ПСБ-Галс» по поводу подбора оптимальной модели. В некоторых случаях требуется доработка конструкции под нужные условия эксплуатации, поэтому лучше все нюансы обговорить предварительно. В общем плане ультразвуковые генераторы могут спокойно работать в температурном диапазоне 10-35°С, нужна им относительная влажность не больше 80%.
Следите за тем, чтобы в помещение, где работает устройство, не проникали в большом количестве кислотные пары, и щелочные газы, крайне нежелательно для любого электрического оборудования наличие токопроводящей пыли, потому что будет интенсивно развиваться коррозия на металлических частях и разрушаться электрическая изоляция. В конструкции ультразвуковых генераторов нет ничего сложного и приборы достаточно надёжны, если их правильно эксплуатировать.
Покупать надо технику обязательно в специализированных компаниях и не искать на базаре самодельные агрегаты. В основу входит фильтр сетевых помех с источником питания, предусмотрен усилитель мощности со схемой электронной защиты, установлена схема согласования нагрузки с источником тока поляризации. При необходимости на производстве вам могут добавить дополнительные компоненты в виде системы автоматической частотной подстройки, системы автоматической амплитудной стабилизации и т.д.
Необходим для очень широкого спектра девайсов - отпугивателей мышей, комаров, собак. Или просто в качестве ультразвуковой стиральной машинки. Так-же с данным EPU можно ставить интересные опыты и эксперименты (товарищи добавляют: в том числе и с соседями:)). Может использоваться для сокращения времени травления и промывки печатных плат, уменьшения времени замачивания белья. Ускорение протекания химических процессов в жидкости, облучённой ультразвуком, происходит благодаря явлению кавитации — возникновению в жидкости множества пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью и звукокапиллярному эффекту. Ниже представлена схема ультразвукового генератора переменной частоты, взятая из журнала "Радиоконструктор".
Основу схемы составляют два генератора импульсов прямоугольной формы и мостовой усилитель мощности. На логических элементах DD1.3, DD1.4 выполнен перестраиваемый генератор импульсов формы меандр ультразвуковой частоты. Его рабочая частота зависит от ёмкости конденсатора С3 и общего сопротивления резисторов R6, R4. Чем сопротивление этих резисторов больше, тем частота меньше. На элементах DD1.1, DD1.2 сделан НЧ генератор с рабочей частотой около 1 Гц. Оба генератора связаны между собой через резисторы R3, R4. Конденсатор С2 предназначен для того, чтобы частота высокочастотного генератора изменялась плавно. Если конденсатор С2 зашунтировать переключателем SA1, то частота высокочастотного генератора будет постоянной. На микросхеме DD2 и полевых транзисторах выполнен мостовой усилитель мощности импульсов.
Инверторы микросхемы раскачивают двухтактные повторители на полевых транзисторах. Когда на выводах 3, 6 DD2 лог. О, то на выходах DD2.3, DD2.4 будет лог. 1. Соответственно, в этот момент времени будут открыты транзисторы VT1, VT4, a VT2, VT4 будут закрыты. Использование сигнала прямоугольной формы приводит к богатому гармониками акустическому излучению. В качестве излучателей ультразвука используются две высокочастотные динамические головки типа 2ГД-36-2500. Можно использовать и 6ГД-13 (6ГДВ-4-8), ЭГД-31 (5ГДВ-1-8) и другие аналогичные. При возможности, их желательно заменить мощным пьезокерамическим излучателем или магнитостриктором, который можно попробовать изготовить самостоятельно, намотав на ферритовом П-образном сердечнике от ТВС телевизора несколько десятков витков многожильного медного провода, а в качестве мембраны применить небольшую стальную пластину. Катушка должна быть размещена на массивной опоре. Р-канальные полевые транзисторы можно заменить на IRF5305, IRF9Z34S, IRF5210; п-канальные — IRF511, IRF541, IRF520, IRFZ44N, IRFZ48N. Транзисторы устанавливаются на радиаторы. Микросхемы можно заменить на 564ЛА7, CD4011A, К561ЛЕ5, КР1561ЛЕ5, CD4001B. Дроссель L1 — любой миниатюрный индуктивностью 220.... 1000 мкГн. Резисторы R7, R8 — самодельные проволочные. Переменный резистор СП3-30, СП3-3-33-32 или с выключателем питания СП2-33-20.
Печатную качаем в архиве.
Настройка. Движок переменного резистора R5 устанавливается в среднее положение, контакты выключателя SA1 замыкаются, подбором ёмкости конденсатора С3 и сопротивления резистора R6 устанавливается частота генератора на DD1.3, DD1.4 около 30 кГц. Далее, контакты SA1 размыкаются и подбором сопротивлений резисторов R2, R3 и R4 следует установить девиацию ультразвуковой частоты от 24 кГц до 35...45 кГц. Делать её более широкой не следует, так как или работа устройства станет слышимой человеком, либо заметно возрастут потери на переключение полевых транзисторов, а эффективность излучателей звука упадёт. Срыв работы генератора на DD1.3, DD1.4 не допускается, так как это может привести к повреждению катушек динамических головок. Источник питания должен быть рассчитан на ток не менее 2 А. Напряжение питания может быть от 11 до 13 вольт.
Сегодня собрал такую схему ультразвукового излучателя - работает не очень, но! Немного пораскинув умом, пришел к выводу о необходимости повысить ёмкость С3 до 2200 пф, далее естественно была устранена ошибка в схеме - в элементе DD2.2 выводы 4 и 6 перепутаны. И о чудо - работает. Правда долго выдержать этот пронзительный звук, меняющийся в широком диапазоне не представляется возможным даже тем, кто находится и в других комнатах. Голова начинает даже не болеть, а её как будто в тиски жмёт, до тошноты противное состояние, выдержал секунд 30.
Ток потребления можно рассчитать исходя из сопротивления применяемого ультразвукового излучателя, закон Ома помнят думаю все. К примеру, у меня стоит на 16 Ом, приняв за КПД 100% оконечного каскада, что почти так и есть, получаем 750 мА при напряжении питания 12 В. Напряжение менять не стоит, иначе упадет мощность, да и смысл уменьшать? Свой ультразвуковой излучатель питаю от кренки на 12 В. При перепадах напряжения частота более менее стабильна получается. Диапазон выходных частот варьирует в широком пределе переменным резистором от слышимого спектра - до не слышимого, необходимо лишь правильно подобрать скважность импульсов для правильной работы схемы. Устройство собрал и испытал: ГУБЕРНАТОР.
Универсальные и специализированные генераторы
КПД генератора
С помощью ультразвукового генератора запитывают на предприятиях электроакустические преобразователи в технологических установках. Это могут быть как, пьезокерамические преобразователи, так и магнитострикционные устройства.
